JP7141473B2 - 電動車用消音部材 - Google Patents

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Description

本発明は、電動車用消音部材に関する。
自動車において、動力源としてエンジンに加えて、または、代えてモーターを用いる、ハイブリッド車、電気自動車、および、燃料電池車等の電動車化が進んでいる。
エンジン（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン）を用いる自動車においては、エンジン音に起因する２００Ｈｚ付近の低周波の音が騒音として支配的であった。これに対して、電動車では、低周波のエンジン音によるマスキングがなくなるため、高周波側の音が聞こえやすくなるという特徴がある。
さらに、電動車は、電気で駆動させるためにモーター、インバーター、および、コンバーターが搭載される。これらはその回転数および／または搬送周波数にしたがって数ｋＨｚの高周波領域に狭帯域かつ強い音を発することが知られている。また、ギア音やワイヤーハーネス等の電装系の音も特定周波数の狭帯域の音を発する場合が多く、電動車では、これらの音もエンジン音によるマスキングがなくなったために聞こえやすくなっている。
また、エアコンや部品冷却などに用いられるファンからもその羽枚数と回転速度によって狭帯域騒音が生じることが知られている。この音もエンジン音によるマスキング効果がなくなることで目立ちやすくなる。
従来の自動車では、エンジン音に対する騒音対策として、フェルト、および、シンサレート等の多孔質材料（多孔質吸音体）を用いた吸音が行われている。多孔質材料を用いて吸音する場合には、吸音対象の周波数の音の波長をλとすると、効率的に吸音するために、多孔質材料の厚みは、λ／４以上の厚みが必要となる。また、多孔質材料を用いた吸音は、広帯域で吸音することができるが、特定の周波数を強く吸音することが難しい。そのため、上述したモーター等のように特定周波数の狭帯域の音を消音するために多孔質材料を用いた場合には、広い周波数帯域で全体的に吸音するため、特定周波数のピーク音が残ってしまうという問題が生じる。多孔質材料を用いてこのピーク音を吸音するにはさらに厚くする必要があり効率が悪い。
ここで、自動車における特定周波数の音を消音する手段として、ヘルムホルツ共鳴器が用いられている。
例えば、特許文献１には、自動車のエンジンルームを開閉する自動車用フードであって、フード本体の少なくとも一部が樹脂製のハニカム構造体により構成され、ハニカム構造体が、隔壁により互いに区画されて筒状をなす多数のセルからなるハニカム部と、ハニカム部のエンジンに近い側に配置される内封止板部と、ハニカム部のエンジンから遠い側に配置されて、内封止板部とともに同ハニカム部を挟み込んで各セルを封止する外封止板部とを備え、内封止板部には、その厚み方向に延びて、同内封止板部よりもエンジン側の空間とセルの内部空間とを連通させる貫通孔が設けられており、内封止板部と外封止板部との間隔は、エンジンに対向する箇所では、同エンジンの周辺箇所に対向する箇所よりも大きく設定されている自動車用フードが記載されている。特許文献１には、ハニカム構造体の各セルはヘルムホルツ共鳴器を構成し、エンジンルーム内で発生する音を消音することが記載されている。
特許文献２には、エンジンルームの横方向の中央部とエンジンルームの左右端に、音響モードの腹を有する二節モードの定在波騒音を低減するために、該定在波騒音の腹がある左右方向の中央部に臨んで、該定在波騒音の周波数に吸音の共鳴周波数を合わせた共鳴型吸音器を配設したエンジンルームが記載されている。また、特許文献２には共鳴型吸音器としてヘルムホルツ型の共鳴型共鳴器が記載されている。
特許文献３には、空気を取り込み燃料電池に供給する空気供給機と、空気供給機を駆動する電動機と、空気供給機の吸気側に配置されるフィルタと、空気供給機の吐出直後に配置される消音器から構成される燃料電池用空気供給装置が記載されている。特許文献３には、この燃料電池用空気供給装置は燃料電池車両に用いられることが記載されている。また、特許文献３には、消音器としてヘルムホルツ型レゾネータが記載されている。
特許文献４には、吸入した流体を圧縮したのち吐出するための圧縮機構と、吐出された流体を冷却し圧力変動を緩和する消音冷却器とを共に含むハウジングを備え、ハウジングは、圧縮機構を収容する圧縮空間と、消音冷却器を収容する消音冷却空間と、圧縮空間を消音冷却空間に連通する連通孔とを備えるよう一体形成されたシリンダブロックを有する圧縮機が記載されている。特許文献４には、この圧縮機は燃料電池を利用した電気自動車に用いられることが記載されている。また、特許文献４には、消音器により圧縮機の吐出脈動の騒音を低減すること、および、消音器はヘルムホルツ共鳴による消音することが記載されている。
特開２０１５－０５１７１０号公報 特開２０００－１７７６４３号公報 特開２００４－１８６１１８号公報 特開２０１３－１０８４８８号公報
前述のとおり、電動車では、低周波のエンジン音によるマスキングがなくなるため、電気で駆動させるためにモーター、インバーター、および、コンバーター等から発生する特定周波数の狭帯域な音が聞こえやすくなる。そのため、従来のように、フェルト、および、シンサレート等の多孔質材料を用いた吸音では特定周波数のピーク音が残ってしまうという問題が生じる。
しかしながら、従来、電動車において、電動車を駆動するためのモーター、インバーター、および、コンバーター等から発生する特定周波数の狭帯域な音を抑制することは考えられていなかった。
これに対して、特許文献１～４に記載されるような、ヘルムホルツ共鳴器を用いて、モーター、インバーター、および、コンバーター等から発生する特定周波数の狭帯域な音を低減することが考えられる。しかしながら、本発明者らの検討によれば、ヘルムホルツ共鳴器による消音は、１つの共鳴周波数に対応する狭帯域な１つの吸音ピークを生じるのみである。そのため、複数の周波数に対応できないという問題があることがわかった。また、ヘルムホルツ共鳴器はその共鳴メカニズム上、表面に厚みを持った貫通孔が必要である。そのため、背面空間のほかに厚みを持った板が必要になる。このために、背面空間以上に厚くなってしまうという問題がある。
また、電動車では、電動車の移動に応じて、モーター等が設置される空間（モーターコンパートメント）内で風が生じる。モーター音等の消音のために、モーター等が設置される空間内にヘルムホルツ共鳴器を設置した場合、ヘルムホルツ共鳴器は、開口部を有するため、風切り音が生じやすいという問題があることがわかった。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解消し、モーター等が発生する狭帯域な音を好適に低減でき、また、複数の周波数に対応でき、風切り音の発生を防止でき、小型化、薄型化できる電動車用消音部材を提供することにある。
この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 電動車用消音部材であって、
電動車内に配置された音源から発生する音を消音する膜型共鳴構造体を有し、
音源は、狭帯域な音を発生するものであり、
膜型共鳴構造体は、音源と同じ空間内、もしくは、電動車の車室内に配置されており、
膜型共鳴構造体は、少なくとも１枚の膜状部材と、膜状部材を振動可能に支持する枠体と、膜状部材に対面して枠体に設置される背面板と、を有し、
膜状部材、枠体、および、背面板は、膜状部材、枠体、および、背面板に囲まれる背面空間を形成しており、
膜型共鳴構造体の膜状部材による膜振動によって、音源から発生する音を消音し、
前記膜状部材の膜振動の、少なくとも１つの高次振動モードの周波数における吸音率が、基本振動モードの周波数における吸音率よりも高い電動車用消音部材。
［２］ 膜型共鳴構造体は、音源と同じ空間内に配置される［１］に記載の電動車用消音部材。
［３］ 音源が、電動車用モーター、電動車用モーター用インバーターおよびコンバーター、ならびに、電動車用モーターに電力を供給する電動車用バッテリー用のインバーターおよびコンバーターの少なくとも１つである［１］または［２］に記載の電動車用消音部材。
［４］ 電動車は、電動車用モーターを配置するための空間を形成するモーターコンパートメントを有し、
膜型共鳴構造体が、モーターコンパートメント内に配置される［３］に記載の電動車用消音部材。
［５］ 膜状部材、および、枠体の少なくとも一方に貫通孔が形成されている［１］～［４］のいずれかに記載の電動車用消音部材。
［６］ 音源が発生する狭帯域な音のピーク周波数の波長をλとすると、
膜状部材の表面に垂直な方向において、背面空間の厚みが、λ／６以下である［１］～［５］のいずれかに記載の電動車用消音部材。
［７］ 音源が発生する狭帯域な音のピーク周波数が１０００Ｈｚ以上である［１］～［６］のいずれかに記載の電動車用消音部材。
［８］ 膜型共鳴構造体に取り付けられる多孔質吸音体を有する［１］～［７］のいずれかに記載の電動車用消音部材。
［９］ 膜型共鳴構造体が電動車のボンネットに取り付けられている［１］～［８］のいずれかに記載の電動車用消音部品。
［1０］ 膜型共鳴構造体が電動車の電動車用モーターのカバー、および、電動車用モーター用インバーターのカバーの少なくとも一方に取り付けられている［１］～［８］のいずれかに記載の電動車用消音部品。
［１１］ 枠体および背面板の少なくとも一方が電動車の部品と一体的に形成されている［１］～［1０］に記載の電動車用消音部材。
［１２］ 背面板が、電動車のボンネットである［１１］に記載の電動車用消音部材。
［１３］ 枠体が電動車のボンネットと一体的に形成されている［１１］または［１２］に記載の電動車用消音部材。
［１４］ 膜型共鳴構造体の平均厚みが１０ｍｍ以下である［１］～［１３］のいずれかに記載の電動車用消音部材。
本発明によれば、モーター等が発生する狭帯域な音を好適に低減でき、また、複数の周波数に対応でき、風切り音の発生を防止でき、小型化、薄型化できる電動車用消音部材を提供することができる。
本発明の電動車用消音部材の一例を有する電動車の一例を模式的に示す断面図である。 図１の電動車を側面から見た断面図である。 図１に示す電動車用消音部材が有する膜型共鳴構造体を拡大して示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の模式的な斜視図である。 図４に示す膜型共鳴構造体のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の電動車用消音部材の他の一例を有する電動車の一例を模式的に示す断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 ピーク周波数と吸音率との関係を表すグラフである。 背面空間厚みとピーク周波数との関係を表すグラフである。 周波数と吸音率との関係を表すグラフである。 周波数と吸音率との関係を表すグラフである。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な斜視図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な平面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な平面図である。 膜型共鳴構造体の他の一例を示す模式的な断面図である。 周波数と吸音率との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。 周波数と測定音量との関係を表すグラフである。 周波数と消音量との関係を表すグラフである。
以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書において、例えば、「４５°」、「平行」、「垂直」あるいは「直交」等の角度は、特に記載がなければ、厳密な角度との差異が５度未満の範囲内であることを意味する。厳密な角度との差異は、４度未満であることが好ましく、３度未満であることがより好ましい。
本明細書において、「同じ」、「同一」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」または「全面」などというとき、１００％である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば９９％以上、９５％以上、または９０％以上である場合を含むものとする。
［膜型共鳴構造体］
本発明の電動車用消音部材は、
電動車内に配置された音源から発生する音を消音する膜型共鳴構造体を有し、
音源は、狭帯域な音を発生するものであり、
膜型共鳴構造体は、音源と同じ空間内、もしくは、電動車の車室内に配置されており、
膜型共鳴構造体は、少なくとも１枚の膜状部材と、膜状部材を振動可能に支持する枠体と、膜状部材に対面して枠体に設置される背面板と、を有し、
膜状部材、枠体、および、背面板は、膜状部材、枠体、および、背面板に囲まれる背面空間を形成しており、
膜型共鳴構造体の膜状部材による膜振動の共鳴周波数は、音源から発生する音の周波数に応じた周波数である電動車用消音部材である。
本発明の電動車用消音部材は、電動車に用いられる消音部材である。
電動車とは、動力源としてモーター（以下、電動車用モーターという）を有する自動車であり、エンジン（ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン）と電動車用モーターとを動力源として有するいわゆるハイブリッド車、電動車用モーターを動力源として有する電気自動車である。電動車においては、基本的に、電動車用モーターに供給するための電力を貯蔵するバッテリー（以下、電動車用バッテリーという）を有している。また、バッテリーに電力を供給する形態としては、外部から直接バッテリーに電力を供給するもの（いわゆる電気自動車）であってもよいし、内蔵するエンジンによって発電機を駆動してバッテリーに電力を供給するものであってもよいし、内蔵する燃料電池によって発電しバッテリーに電力を供給するものであってもよい。また、バッテリーを有さず、燃料電池によって発電した電力を直接、電動車用モーターに供給して、電動車用モーターを駆動するもの（いわゆる燃料電池車）であってもよい。
また、エンジンと電動車用モーターとを有する電動車としては、エンジンと電動車用モーターとを同時にまたは切り替えて動力源として用いるものであってもよいし、エンジンを発電するために用い、電動車用モーターのみによって駆動するものであってもよい。
このような電動車において、以下のものが狭帯域な音を発生する音源として挙げられる。
・動力源として用いられる電動車用モーター
・電動車用モーターに供給される電力を、直流から交流へ、あるいは、周波数の異なる交流へ変換する回路であるインバーター、および／または、交流から直流へ変換する回路であるコンバーター
・電動車用モーターに電力を供給する電動車用バッテリーに供給される電力、および／または、電動車用バッテリーから出力される電力を変換するインバーターおよび／またはコンバーター
・電動車用モーターからタイヤに伝達される動力（回転）を減速、および／または、増速してタイヤに伝えるためのギヤ
・電動車用バッテリーから電動車用モーターへ電力を共有するための電線であるワイヤーハーネス
・電動車で用いられるファン、特に回転数と羽枚数で決定されるピーク騒音
これらの音源が発生する狭帯域な音のピーク周波数は１０００Ｈｚ以上であり、より多くは、１．５ｋＨｚ～１２ｋＨｚであり、さらに多くは、２ｋＨｚ～１０ｋＨｚである。
モーターの騒音のように回転によって発する狭帯域音は回転数に対して複数の高次次数音がなるために、複数の狭帯域音の音源となることも多い。
なお、以下の説明では、電動車用モーターを単にモーターともいう。また、電動車用バッテリーを単にバッテリーともいう。また、電動車用モーター用のインバーター、電動車用バッテリー用のインバーターをまとめてインバーターともいう。また、電動車用モーター用のコンバーター、電動車用バッテリー用のコンバーターをまとめてコンバーターともいう。
音源が、インバーター等の電子部品の場合には、キャリア周波数に応じた音（スイッチングノイズ）を発生する。
音源が、モーターの場合には、回転数に応じた周波数の音（電磁騒音）を発生する。このとき、発生する音の周波数は、必ずしも回転数またはその倍数に限るわけではないが、回転数を大きくすることで音も高くなっていくなどの強い関連性が見られる。
すなわち、音源はそれぞれ、音源に固有の周波数の音を発生する。
ここで、本発明において、狭帯域な音（以下、狭帯域音ともいう）とは、音圧が狭帯域ピーク外の周辺の周波数の音と比較して３ｄＢ以上大きい極大値となる周波数の音とする。狭帯域ピーク外とは、狭帯域音以外の音（背景雑音および風切り音など他の要因の音）に狭帯域音成分が埋もれる領域である。
指標としては、Tone to Noise Ratio(TNR)がECMA-74あるいはISO 7779に定められている。これに基づいて、ピーク音と周辺周波数音の音量差を評価すればよい。その上で３ｄＢ以上の差がある場合に狭帯域音として取り扱う。
また、狭帯域音が周波数軸で密集していて上記手法で評価しづらい場合には、同じくECMA-74あるいはISO 7779に定められているProminence ratioによって、狭帯域音と周辺音の比較を行うことができる。このような場合もこの差分が３ｄＢ以上の大きさである場合に、狭帯域音として取り扱えばよい。
音源が固有の狭帯域な音を発するかは、例えば下記のような実験を行うことで特定することができる。
音源単体で音を発することができる場合には、音源を無響室もしくは半無響室内、もしくはウレタン等の吸音体で囲んだ状況に配置する。周辺を吸音体とすることで、部屋や測定系の反射干渉による影響を排除する。その上で、音源を鳴らし、離れた位置からマイクで測定を行い、音圧と周波数との関係（周波数特性）を取得する。音源と測定系のサイズによりマイクとの距離は適宜選択できるが、３０ｃｍ程度以上離れて測定することが望ましい。
電動車を動かす形でしか音が発しない場合には、評価を車室内の運転手耳位置にマイクを取り付けて評価することが望ましい。
音源の周波数特性において、音圧が極大値（ピーク）となる周波数をピーク周波数と呼ぶ。その極大値が周辺の周波数での音と比較して３ｄＢ以上大きい場合には、そのピーク周波数音が十分に人間に認識できるため、狭帯域な音を発生する音源といえる。５ｄＢ以上であればより認識でき、１０ｄＢ以上であればさらに認識できる。評価は上記のように、TNRもしくはProminence Ratioを用いて評価することができる。
電動車においては、上記の音源から発生する狭帯域な音が車室内に聞こえることが問題となっている。
例えば、日本機械学会誌 2007. 7 Vol. 110 No.1064、「ハイブリッド車の振動騒音現象とその低減技術」にモーター電磁騒音とスイッチングノイズ騒音が挙げられており、その原因と典型的な騒音周波数が開示されている。記載されている比較表により、数百Ｈｚ～数ｋＨｚであるモーター電磁騒音、数ｋＨｚ～十数ｋＨｚであるスイッチングノイズが他の騒音の周波数より高周波側にある騒音であることが開示されている。
また、例えば、トヨタ自動車ＰＲＩＵＳのマニュアル（2015）のP.30に「ハイブリッド車特有の音と振動について」として「エンジンルームからの電気モーターの作動音（加速時の"キーン"音、減速時の"ヒューン"音）」が開示されている。
また、電気自動車である日産自動車ＬＥＡＦのマニュアル（2011）のＥＶ－９に「音と振動について」として「モータールームから発生するモーターの音」が開示されている。
このように、自動車がハイブリッド化、電気自動車化することによって、従来にはなかった高周波側の、特定周波数の狭帯域な音が車室内にも聞こえる大きさで発生している。
本発明の電動車用消音部材は、上記のような電動車内に配置された、狭帯域な音を発生する音源から発生する音を消音するものである。
以下、本発明の電動車用消音部材の一例について、図１～図５を用いて説明する。
図１は、本発明の電動車用消音部材の一例を含む電動車の一部を示す模式的な断面図である。図２は、図１に示す電動車の側面断面図である。図３は、図１に示す電動車用消音部材が有する膜型共鳴構造体を拡大して示す模式的な断面図である。図４は、膜型共鳴構造体の模式的な斜視図である。図５は、図４に示す膜型共鳴構造体のＢ－Ｂ線断面図である。なお、図１、図２において、説明のため電動車の一部（電動車に含まれる部品）の図示を省略している。また、図４において説明のため膜状部材１６の図示を一部省略している。
図１および図２に示すように、電動車１００は、電動車用モーター１０２と、モーターコンパートメント１０４と、ボンネット１０６と、車室１０８と、タイヤ１１０とを有する。なお、図１および図２においては電動車の一部の図示を省略しているが、公知の電動車を構成する各種装置を有している。
電動車用モーター１０２は、電動車１００を駆動するためのモーターである。すなわち、電動車用モーター１０２は、ギヤ、プロペラシャフト（図示せず）等を介してタイヤ１１０に接続されており、電動車用モーター１０２が駆動して発生した動力（回転力）が、ギヤ、プロペラシャフト（図示せず）等を介してタイヤ１１０に伝達されることで、タイヤ１１０を回転させて電動車１１０を駆動する。電動車用モーター１０２は、フロントサイドメンバ（図示せず）に直接あるいは間接的に支持されている。
電動車用モーター１０２は電動車に用いられている各種の公知のモーターである。
前述のとおり、本発明において、電動車用モーター１０２は、狭帯域な音を発生する音源である。
モーターコンパートメント１０４は、電動車用モーター１０２を設置するための空間を形成するためのものである。すなわち、モーターコンパートメント１０４は、エンジン自動車におけるいわゆるエンジンルームである。図１および図２に示す例において、モーターコンパートメント１０４は、車室１０８（使用者が乗車する空間）の前方側に配置されている。なお、モーターコンパートメント１０４は、車室の後方側に配置されていてもよい。
また、モーターコンパートメント１０４内には電動車用モーター１０２以外に、電動車用モーター用インバーターおよびコンバーター、電動車用モーターに電力を供給する電動車用バッテリー、ならびに、電動車用バッテリー用インバーターおよびコンバーター等の電動車が有する各種装置が配置されていてもよい。
また、電動車が、ハイブリッド車等のエンジンを有する構成の場合には、モーターコンパートメント１０４内にはエンジンおよびエンジンの動作に必要な各種装置が配置され得る。
ボンネット１０６は、モーターコンパートメント１０４の上部を開閉可能に配置された略板状の部材である。
ボンネット１０６は、公知の電動車において用いられる各種の構成を取り得る。例えば、モーターコンパートメント１０４の上部を開閉可能にするためのヒンジ、閉鎖時にボンネット１０６を車体に保持するロック機構等を有する。
また、図１および図２に示す例では、ボンネット１０６の電動車用モーター１０２側の面には、膜型共鳴構造体１０を含む電動車用消音部材５０が取り付けられている。
膜型共鳴構造体１０は、音源が発生する音を消音するものである。
図１および図２に示す例では、音源は電動車用モーター１０２であり、膜型共鳴構造体１０は、電動車用モーター１０２が発生する狭帯域な音を消音する。
図１および図２に示す例では、膜型共鳴構造体１０は、モーターコンパートメント１０４内、すなわち、音源と同じ空間内に配置されている。
図３～図５に示すように、膜型共鳴構造体１０は、開口部２０を有する枠体１８と、枠体１８の開口面１９に固定される膜状部材１６（単に「膜」ともいう）と、膜状部材１６に対面するように、枠体１８の他方の開口面に固定される背面板２２とを有する。図３～図５に示す例では、枠体１８と背面板２２とは一体的に形成されている。
枠体１８は貫通する開口部２０を有する筒状の部材であり、一方の開口面１９に膜状部材１６が配置され、他方の開口面に背面板２２が配置されている。
図３～図５に示す例では、枠体１８および背面板２２は、一体的に形成されているため、円柱形状で一面に底面を有する開口部２０が形成された形状である。すなわち、枠体１８および背面板２２を一体化した部材は一面が開放された有底の円筒形状である。
膜状部材１６は膜状の部材であり、枠体１８の、開口部２０が形成された開口面１９を覆って周縁部を枠体１８に固定されて振動可能に支持されている。
また膜状部材１６、枠体１８、および、背面板２２は、膜状部材１６、枠体１８、および、背面板２２に囲まれる背面空間２４を形成している。図３～図５に示す例では、背面空間２４は、閉じられた閉空間である。
膜型共鳴構造体１０は、背後に背面空間２４を有する膜状部材１６の膜振動を利用して、吸音の機能を発現し、特定の周波数（周波数帯域）の音を選択的に消音するものである。
したがって、膜型共鳴構造体１０において、膜状部材１６の膜振動の共鳴周波数は、音源が発生する音の周波数に応じて設定される。例えば、インバーターおよびコンバーターのように音源が特定の周波数で狭帯域な音を発生する場合には、その音のピーク周波数に合わせて膜振動の共鳴周波数を設定すればよい。
一方、電動車用モーターのように動作状態に応じてピーク周波数が変動する場合には、例えば、交通法規で制限速度が決まっている場合は、その速度での電動車用モーターの回転数に合わせて、膜振動の共鳴周波数を設定することができる。例えば、日本の一般道での制限速度はおおむね６０ｋｍ／ｈ、高速道路での制限速度はおおむね１００ｋｍ／ｈであるため、電動車がこの速度で走行している状態での電動車用モーターの回転数に合わせて膜振動の共鳴周波数を設定すればよい。
あるいは、電動車用モーターが発生する音の周波数と、インバーターおよび／またはコンバーターが発生する音の周波数とが近くなると、その周波数の音が大きくなる。そのため、膜振動の共鳴周波数をこの周波数に設定するのも好ましい。
あるいは、電動車用モーターの筺体の共振周波数、および、モーターカバーの共振周波数等では、電動車用モーターが発生する音が、これらの共振によって外に放射されやすい。従って、電動車用モーターが発生する音が外に放射されやすい周波数に合わせて、膜振動の共鳴周波数を設定してもよい。
このように、電動車用モーターとその周辺の環境に応じて、膜振動の共鳴周波数を設定してもよい。
前述のとおり、電動車では、電気で駆動させるためにモーター、インバーター、および、コンバーターが搭載される。これらはその回転数および／または搬送周波数にしたがって数ｋＨｚの高周波領域に狭帯域かつ強い音を発する。また、ギア音、および、ワイヤーハーネス等の電装系の音も特定周波数の狭帯域の音を発する場合が多い。また、エアコン、および、部品冷却用のファンも、その羽枚数と回転速度によって大きな狭帯域騒音を発する。電動車では、エンジン音によるマスキングがなくなるため、これらの音が聞こえやすくなってしまう。
従来の自動車で用いられているフェルト、および、シンサレート等の多孔質吸音体による吸音では、このような特定周波数の狭帯域な音を吸音するのは難しいという問題があった。
特定周波数の狭帯域な音をヘルムホルツ共鳴器を用いて低減することが考えられるが、本発明者らの検討によれば、ヘルムホルツ共鳴器による消音は、１つの共鳴周波数に対応する狭帯域な１つの吸音ピークを生じるのみであるため、複数の周波数に対応できず、また、モーター等の動作状態に応じて音のピーク周波数が変動する場合に対応することができないという問題があることがわかった。
また、電動車では、電動車の移動に応じて、モーター等が設置される空間（モーターコンパートメント）内で風が生じる。モーター音等の消音のために、モーター等が設置される空間内にヘルムホルツ共鳴器を設置した場合、ヘルムホルツ共鳴器は、開口部を有するため、風切り音が生じやすいという問題があることがわかった。
また、ヘルムホルツ共鳴器は背面空間以外に表面板を有するために、全体の厚みが大きくなってしまうため、十分に小型化、薄型化することができない。
これに対して、本発明の電動車用消音部材は、膜振動を利用して特定の周波数帯域の音を選択的に消音する膜型共鳴構造体を用いて、特定周波数の狭帯域な音を消音する。
膜型共鳴構造体１０における膜振動では、基本振動モードの周波数における共鳴のみでなく、高次振動モードの周波数、すなわち、第２次、第３次固有振動数等の高次の固有振動数における共鳴が生じる。そのため、膜型共鳴構造体１０は、基本振動モードの周波数に加えて、高次振動モードの周波数においても消音することが可能である。そのため、複数の周波数に対応することが可能である。
また、例えば、膜型共鳴構造体１０を第２次固有振動数と第３次固有振動数とが近くなるように設計することで、第２次固有振動数と第３次固有振動数の間の周波数帯域でも吸音による消音効果が得られるため、モーター等の動作状態に応じて音のピーク周波数が変動する場合であっても膜型共鳴構造体１０は十分に消音することができる。
また、膜型共鳴構造体１０は、開口のない閉じた構成とすることができるため、電動車の移動に応じて、モーター等が設置される空間（モーターコンパートメント）内で風が生じる場合でも風切り音が生じることを防止できる。
また、膜型共鳴構造体１０は薄い膜状部材１６の振動によって消音するものであるため、多孔質吸音体、または、ヘルムホルツ共鳴器を用いる消音部材に比べて、小型化、薄型化することが可能である。
ここで、図１に示す例では、膜型共鳴構造体１０はモーターコンパートメント１０４内に配置される構成としたが、これに限定はされず、車室１０８内に配置してもよい。より高い消音効果を得られる点で、膜型共鳴構造体１０は音源と同じ空間内に配置されるのが好ましい。膜型共鳴構造体１０を音源と同じ空間に配置することで、狙いの狭帯域音がその空間内で共鳴する場合に、その空間内での共鳴により何度も行き来する音に対して膜型共鳴構造体を作用させることができる。この場合には、膜型共鳴構造体の一回の吸音作用だけの場合と比較して、特に高い消音効果を得ることができる。特に、空間内での共鳴によって音圧の腹になる部位に膜型共鳴構造体を配置することで、より高い消音効果を得ることができる。例えば、この空間の角部ではそのような条件を満たすことができる。
また、狙いの狭帯域音がその空間内で強い共鳴現象を生じない場合であっても、その空間内には音の疎密が生じる。その場合にも音圧の腹になる部位に配置することで、自由空間内あるいは別の空間に膜型共鳴体を配置した場合と比較して、消音効果を大きくすることができる。
また、より高い消音効果を得られる点で、図１～図３に示すように、膜型共鳴構造体１０は、膜状部材１６側が音源に対面して配置されるのが好ましい。
また、図１～図３に示す例においては、膜型共鳴構造体１０は、ボンネット１０６の電動車用モーター１０２（音源）側の面に配置される構成としたが、これに限定はされない。例えば、電動車用モーターを覆うモーターカバーを有する場合には、膜型共鳴構造体１０は、モーターカバーに配置されてもよい。また、膜型共鳴構造体１０は、モーターカバー内部（モーター筺体とモーターカバーとの間）に配置することもできる。
また、インバーターおよびコンバーターも基本的にモーターコンパートメント１０４内に配置されるので、音源がインバーターまたはコンバーターの場合にも、膜型共鳴構造体１０は、ボンネット１０６に配置されるのが好ましい。
例えば、図６に示す例のように、インバーター１１２が電動車用モーター１０２と一体的に配置されていてもよい。インバーター１１２が電動車用モーター１０２と一体的に配置されている場合にも、膜型共鳴構造体１０は、ボンネット１０６に配置されるのが好ましい。
また、インバーターおよびコンバーターが電動車用モーターとともにモーターカバーに覆われている場合には、膜型共鳴構造体１０は、モーターカバーに配置されてもよい。また、インバーターおよび／またはコンバーターが電動車用モーターとは独立して配置されており、インバーターおよび／またはコンバーターに対して独立してインバーターカバーあるいはコンバーターカバーが設けられている場合には、そのカバーに膜型共鳴構造体を配置してもよい。また、カバーの内部（インバーターおよび／またはコンバーターとカバーとの間の空間）に、膜型共鳴構造体を配置してもよい。また、膜型共鳴構造体の膜面を、インバーターおよび／またはコンバーターに向けて配置することが好ましい。これにより、音源であるインバーターおよび／またはコンバーターを膜型共鳴構造体が近距離で囲む配置とすることができるため、消音効果をより高めることができる。
また、例えば、電動車用モーター１０２、および、インバーター１１２をそれぞれ音源として、それぞれが発生する音を消音する場合には、電動車用モーター１０２、および、インバーター１１２それぞれに応じた周波数の音を消音可能な、２種以上の膜型共鳴構造体１０を配置すればよい。すなわち、電動車が、複数の音源を有する場合には、各音源が発生する音の周波数に応じて、その音を消音可能な２種以上の膜型共鳴構造体１０を各音源と同じ空間内、もしくは、電動車の車室内に配置すればよい。
あるいは、例えば、電動車用モーター１０２、および、インバーター１１２を音源とした場合には、前述のとおり、電動車用モーターが発生する音の周波数と、インバーターが発生する音の周波数とが近くなると、その周波数の音が大きくなる。そのため、インバーターが発生する周波数の音を消音可能な１種の膜型共鳴構造体を配置する構成としてもよい。
また、音源がギヤまたはワイヤーハーネスの場合には、それぞれの近傍に配置されるのが好ましい。
電動車特有のユニットであって、かつ電動車のユニットの中で特に大きな狭帯域音を放つユニットであり、そのユニットがモーターコンパートメントなどの空間に配置されることが多く、ユニットにカバーが装着されることが多く、膜型共鳴構造体を配置しやすいため、本発明の電動車用消音部材は、電動車用モーター、電動車用モーター用インバーターおよびコンバーター、ならびに、電動車用バッテリー用インバーターおよびコンバーターにより好適に適用可能である。
また、膜型共鳴構造体１０の枠体１８および背面板２２の少なくとも一方が電動車の部品と一体的に形成されていてもよい。
例えば、図３に示す例では、膜型共鳴構造体１０は、別体としてボンネット１０４に取り付けられる構成としたが、図７に示すように、背面板をボンネット１０６と一体化して、すなわち、ボンネット１０６を背面板として用いる構成としてもよい。あるいはさらに、図８に示すように、枠体１８をボンネット１０６と一体的に形成してもよい。
ここで、本発明において、膜型共鳴構造体１０は、枠体１８に支持された膜状部材１６の膜振動の、少なくとも１つの高次振動モードの周波数における吸音率が、基本振動モードの周波数における吸音率よりも高いことが好ましい。
前述のとおり、電動車用モーター等の音源は、１０００Ｈｚ以上の高い周波数の狭帯域な音を発生する。
膜振動を利用する消音手段でこのような高い周波数の音を消音する場合には、膜の硬さ、および、膜の大きさ等を調整して膜振動の固有振動数を高くすることが考えられる。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、膜振動を利用する消音手段において、膜の硬さ、および、膜の大きさ等を調整して膜振動の基本モードの固有振動数を高くした場合には、高い周波数では吸音率が低くなることがわかった。
具体的には、基本振動モードの膜振動を利用して高い周波数の音を吸音するためには、膜をより硬く厚くして基本振動モードにおける周波数（第１次固有振動数）を高くする必要がある。しかしながら、本発明者らの検討によれば、膜を硬く厚くしすぎると膜によって音が反射されやすくなってしまう。そのため、基本振動モードの周波数が高くなるほど、膜振動による音の吸収（吸音率）が小さくなってしまう。
音が高周波になるほど膜振動と相互作用する力が小さくなる。一方で膜固有振動の高周波化のために膜を硬くする必要がある。膜を硬くすることは、膜表面での反射を大きくすることにつながる。高周波音ほど共鳴のためには硬い膜が必要となるために、共鳴振動によって吸収される代わりに、大半の音が膜表面で反射されたために吸収が小さくなったと考えられる。
よって、従来の設計理論に基づいた基本振動モードを用いた膜振動を利用した消音手段では、高周波で大きな吸音は難しいことが明らかになった。この特性は、高周波特定音の消音に用いるには不向きな特性である。
また、膜振動を利用する消音手段に用いられる膜は、周囲の温度の変化および湿度の変化等によって硬さが変わってしまう。膜の硬さが変わると膜振動の固有振動数が大きく変化してしまう。そのため、膜振動を利用する消音手段の場合には、周囲の環境（温度、湿度）の変化に応じて、消音できる周波数が変わってしまうという問題があることがわかった。特に電動車のモーターコンパートメント内は温度が高くなる傾向にあるため、膜が温度の影響を受けやすい。
本発明者らの検討によると、この問題は基本振動モードにおいて顕著にみられることがわかった。
これに対して、膜型共鳴構造体１０の膜振動の、少なくとも１つの高次振動モードの周波数における吸音率が、基本振動モードの周波数における吸音率よりも高い構成とすることで、高次振動モードの周波数、すなわち、第２次、第３次固有振動数等の高次の固有振動数における吸音率を高くして、高次振動モードの膜振動によって音を吸収する構成とすることで、膜を硬く厚くする必要がないため、音が膜によって反射されるのを抑制でき、高い周波数においても高い吸音効果を得ることができる。
また、高次振動モードの固有振動数は、膜の硬さが変わっても変化しにくいため、高次振動モードの膜振動を利用することによって、周囲の環境の変化により膜の硬さが変わっても高次固有振動数の変化が小さく、消音できる周波数の変化量を小さくすることができる。すなわち、環境の変化に対してロバスト性を高くすることができる。そのため、電動車のモーターコンパートメント内のような温度変化が大きい空間内に膜型共鳴構造体を配置した場合でも高い消音効果を得ることができる。
高次振動モードが励起されるメカニズムについて、本発明者らは以下のように推定した。
膜の条件(厚み、硬さ、大きさ、固定方法等)によって決定される基本振動モードと高次振動モードの周波数帯があり、どのモードによる周波数が強く励起されて吸音に寄与するかが背面空間の距離（厚み）等によって決定される。これを以下に説明する。
膜を用いた吸音構造の共鳴を切り分けて考えると、膜部分と背面空間部分が存在する。よって、これらの相互作用によって吸音が起こる。
数式で表現すると、膜の音響インピーダンスをＺｍ、背面空間の音響インピーダンスをＺｂとすると、合計の音響インピーダンスＺｔ＝Ｚｍ＋Ｚｂとして記述される。この合計の音響インピーダンスが媒質の流体（空気など）の音響インピーダンスに一致するときに共鳴現象が生じる。ここで、膜の音響インピーダンスＺｍについては膜部分によって決定され、例えば基本振動モードについては膜の質量による運動方程式に従う成分（質量則）と、膜が固定されていることによってばねのような引っ張りに支配される成分（剛性則）が一致した時に共鳴が生じる。高次振動モードも同様に、基本振動より複雑な膜振動の形状による共鳴である。
膜の厚みが大きいなど、膜に高次振動モードが発生しにくい場合は、基本振動モードとなる帯域は広くなる。しかし、膜が硬く反射されやすいために吸音が小さくなることは上述のとおりである。膜の厚みを薄くするなど、膜に高次振動モードが発生しやすい条件とすると、基本振動モードが発生する周波数帯域幅は小さくなり、高次振動モードが高周波域に存在する状態となる。
一方の背面空間の音響インピーダンスＺｂは、空気伝搬音の流れが閉空間あるいは貫通孔部等によって制限されていることによって開放空間のインピーダンスと異なり、例えば背面空間の厚みが小さくなるほど背面空間が固くなる効果などが入っている。定性的には、背面距離が小さくなるにつれて波長の短い音、すなわち高周波音に適した距離となり、その場合に、より低周波音は波長に対して背面空間が小さすぎるために共鳴が小さくなる。すなわち、背面距離の変化によって、どの周波数の音について共鳴できるかが決まる。
これらをまとめると、膜部分によってどの周波数領域で基本振動となり、別の帯域では高次振動となるかが決まる。そして、背面空間によってどの周波数帯の音を励起しやすいかが決まるためにそれを高次振動に対応する周波数とすることで、高次振動モードに起因する吸音率を大きくすることができるというのが今回のメカニズムである。
よって、高次振動モードを励起するように膜と背面空間をともに決定する必要がある。
この点について、有限要素法計算ソフトCOMSOL ver.5.3(COMSOL Inc.)の音響モジュールを用いてシミュレーションを行なった。
膜型共鳴構造体１０の計算モデルにおいて、枠体１８は、図４に示すような円筒形状で、開口部の直径が２０ｍｍとした。膜状部材１６は厚み５０μｍとし、ヤング率はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムのヤング率である４．５ＧＰａとした。
なお、計算モデルは二次元軸対称構造計算モデルとした。
このような計算モデルにおいて背面空間の厚みを１０ｍｍから０．５ｍｍまで０．５ｍｍ刻みで変更して、音響と構造の連成計算を行い、構造計算は膜に関して行い、背面空間は音の空気伝搬を計算することで数値計算を行った。評価は垂直入射吸音率配置で行い、吸音率の最大値とその時の周波数を計算した。
結果を図９に示す。図９は、各計算モデルにおいて吸音率が最大となる周波数（以下、ピーク周波数という）と、このピーク周波数における吸音率とをプロットしたグラフである。
図９に示すように、高い周波数でも高い吸収率が得られることがわかる。
また、各計算モデルにおけるピーク周波数が何次の振動モードであるかを解析した。
図１０に、各計算モデルのピーク周波数と背面空間の厚みとの関係を両対数でプロットし、振動モードの次数ごとにラインを引いたグラフを示す。また、図１１および図１２には、背面空間の厚みが７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍの場合の各計算モデルにおける周波数と吸音率との関係を表すグラフを示す。
図１０からわかるように、背面空間の厚みを小さくすることで吸音率のピーク周波数は高周波化する。ここで、背面空間の厚みを小さくしていくことで両対数軸上でピーク周波数が連続的に大きくなるのではなく、両対数軸上においても複数の不連続な変化が生じていることが分かる。この特性は、吸音率が最大となる振動モードが、基本振動モードから高次振動モード、もしくは高次振動モードの次数の高いモードに移行していることを示している。すなわち、薄い膜によって高次振動モードが励起されやすい状態であって、背面空間の厚みを小さくすることで基本振動モードではなく高次振動モードによる吸音の効果が大きく現れることが分かった。よって、高周波域での大きな吸音率は、基本振動モードに起因するものではなく、高次振動モードによる共鳴に起因する。図１０に示した振動モードの次数ごとに引いたラインから、膜の硬さが一定の場合には背面空間の厚みが薄いほど、より高次の振動モードにおける周波数がピーク周波数、すわなち、吸音率が最も高くなる周波数となることがわかる。
高次振動モードが現れた理由は膜状部材の膜厚を５０μｍと薄くすることによって膜を柔らかくしたことが重要である。高次振動モードは基本振動モードと比較して、膜上に複雑な振動パターンを有している。すなわち、膜上に複数の振幅の腹を有する。よって、基本振動モードと比較して、より小さな平面サイズでの屈曲が必要であり、膜固定部付近で屈曲が必要なモードも多い。膜の厚みが小さい方が遥かに屈曲しやすいために、高次振動モードを利用するためには膜厚を薄くすることが重要となっている。さらに背面空間の長さを数ｍｍまで小さくしたことで、基本振動モードよりも高次振動モードによる吸音を効率的に励起できる系とすることができる。
また、膜厚が薄く、したがって膜の硬さが小さい系となるため、高周波側でも反射が小さく大きな吸音率が生じていると考えられる。
また、図１１および図１２から、各計算モデルにおいて、複数の周波数で吸音率が極大値（ピーク）となっていることがわかる。この吸音率が極大値となる周波数が、ある振動モードの周波数である。このうち最も低い周波数の約１５００Ｈｚが基本振動モードの周波数である。すなわち、いずれの計算モデルも基本振動モードの周波数は約１５００Ｈｚである。また、基本振動モードである１５００Ｈｚよりも高い周波数に存在する極大値となる周波数が高次の振動モードの周波数である。いずれの計算モデルにおいても、高次の振動モードの周波数での吸音率が、基本振動モードの周波数での吸音率よりも高くなっている。
また、図１１および図１２から、背面空間の厚みが小さいほど基本振動モードにおける周波数での吸音率が低くなり、高次の振動モードにおける周波数での吸音率が高くなっていることがわかる。
また、図１２の背面空間の厚みが０．５ｍｍの場合では、９ｋＨｚ以上の非常に高い周波数領域でほぼ１００％という大きな吸音率が得られることがわかる。
また、図１１および図１２から、高次振動モードは複数存在し、それぞれの周波数において高い吸音ピーク（吸音率の極大値）を示すことがわかる。よって、高い吸音ピークが重なって、比較的広帯域に渡って吸音効果を示すことも分かる。
以上から、高次振動モードの周波数における吸音率が、基本振動モードの周波数における吸音率よりも高い構成とすることで、高い周波数においても高い吸音効果を得ることができることがわかる。
なお、周知のとおり、基本振動モードは、最も低周波側に現れる振動モードであり、高次振動モードは基本振動モード以外の振動モードである。
振動モードが基本振動モードであるか高次振動モードであるかは、膜状部材の状態から判別することができる。基本振動モードにおける膜振動では、膜の重心部が最も大きな振幅を持ち、周辺の固定端部付近の振幅が小さい。また、膜状部材は全ての領域において同じ方向に速度を持つ。一方、高次振動モードにおける膜振動では、膜状部材は、位置によって逆方向に速度を持つ部分が存在する。
または、基本振動モードは膜の固定部が振動の節となり、他の膜面上には節が存在しない。一方で高次振動モードでは上記の定義により固定部のほかに膜上にも振動の節となる部分が存在するため、下記に示した手法で実際に計測することができる。
振動モードの解析は、レーザー干渉を用いて膜振動を測定することで、振動モードの直接観測が可能である。もしくは、膜面状に塩や白色の微粒子をまいて振動させることで節の位置が可視化されるので、この手法を用いても直接観測が可能である。このモードの可視化はクラドニ図形として知られている。
また、円形膜や矩形膜では解析的に周波数を求めることもできる。有限要素法計算などの数値計算法を用いれば、任意の膜の形状について各振動モードにおける周波数を求めることができる。
また、吸音率は、音響管を用いた吸音率評価により求めることができる。JIS A 1405-2に従った垂直入射吸音率の測定系を作製して評価を行う。これと同様の測定は日本音響エンジニアリング製WinZacMTXを用いることができる。音響管の内部直径は２０ｍｍとし、その音響管端部に膜型共鳴構造体を膜状部材を表にして配置して、反射率を測定し、（1－反射率）を求めて吸音率の評価を行う。
音響管の直径を細くするほど高周波まで測定することが可能である。今回は高周波まで吸音率特性を測定する必要があるために、直径２０ｍｍの音響管を選択する。
本発明の膜型共鳴構造体１０において、少なくとも１つの高次振動モードの周波数における吸音率が、基本振動モードの周波数における吸音率よりも高い構成とするためには、背面空間２４の厚み、膜状部材１６の大きさ、厚み、硬さ等を調整すればよい。
具体的には、背面空間２４の厚み（膜状部材の表面に垂直な方向の厚み）は、音源が発生する狭帯域な音のピーク周波数の波長をλとすると、λ／６以下が好ましい。また、背面空間２４の厚みは、１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下がさらに好ましく、高周波側を吸音するためには２ｍｍ以下が特に好ましい。
なお、背面空間２４の厚みが一様でない場合には、平均値が上記範囲であればよい。
膜状部材１６の厚みは、１００μｍ未満が好ましく、７０μｍ以下がより好ましく、５０μｍ以下がさらに好ましい。なお、膜状部材１６の厚みが一様でない場合には、平均値が上記範囲であればよい。
一方で、膜の厚みが薄すぎると取り扱いが難しくなる。膜厚は１μｍ以上であることが好ましく、５μｍ以上であることがより好ましい。
膜状部材１６のヤング率は、１０００Ｐａ～１０００ＧＰａであることが好ましく、１００００Ｐａ～５００ＧＰａであることがより好ましく、１ＭＰａ～３００ＧＰａであることが最も好ましい。
膜状部材１６の密度は、１０ｋｇ／ｍ3～３００００ｋｇ／ｍ3であることが好ましく、１００ｋｇ／ｍ3～２００００ｋｇ／ｍ3であることがより好ましく、５００ｋｇ／ｍ3～１００００ｋｇ／ｍ3であることが最も好ましい。
膜状部材１６の形状（膜振動する領域の形状）、すなわち、枠体１８の開口断面の形状は、特に制限的ではなく、例えば、正方形、長方形、ひし形、又は平行四辺形等の他の四角形、正三角形、２等辺三角形、又は直角三角形等の三角形、正五角形、又は正六角形等の正多角形を含む多角形、若しくは円形、楕円形等であっても良いし、不定形であっても良い。
膜状部材１６の大きさ（膜振動する領域の大きさ）、すなわち、枠体１８の開口断面の大きさは、円相当直径（図５中Ｌa）で１ｍｍ～１００ｍｍが好ましく、３ｍｍ～７０ｍｍがより好ましく、５ｍｍ～５０ｍｍがさらに好ましい。
ここで、本発明者らは、膜型共鳴構造体１０において高次振動モードが励起されるメカニズムについてより詳細に検討した。
膜状部材のヤング率をＥ（Ｐａ）とし、厚みをｔ（ｍ）とし、背面空間の厚み（背面距離）をｄ（ｍ）とし、膜状部材が振動する領域の円相当直径、すなわち、膜状部材が枠体に固定されている場合には枠体の開口部の円相当直径をΦ（ｍ）として、これらのパラメータを種々変更して有限要素法計算ソフトCOMSOL ver.5.3(COMSOL Inc.)の音響モジュールを用いてシミュレーションを行い、高次振動モードが励起される条件を求めた。
具体的には、３次元空間内に音響管を模擬した円柱状の導波路を設定し、その端部に背面空間部、膜状部材部を設置する。その端部はサウンドハード面とすることで反射端とする。膜状部材部は構造力学モジュール計算の対象として、その周囲の空気部とは音響構造連成面とすることで、音響構造相互作用を強連成で計算した。また、膜状部材部はその端部を固定拘束条件とすることで、周辺を抑えられた膜振動を計算した。
その音響管のもう一端は平面波放射面とし、入力エネルギーと、反射してくる反射エネルギーをその面上で求めた。入力エネルギーを１に規格化したときに、吸音率は１－反射率として求めることができる。
この条件を基にして、周波数を変化させて吸音率の周波数依存性を計算した。その依存性で低周波側から吸音ピークが第一次、第二次とつけることができる。また、膜面の固体振動パターンも確認することで第一次モードであることをそれぞれ確認している。
このような計算設定下で、（Ｅ，ｔ，ｄ）をパラメトリックに変化させて計算させることで、それぞれの吸音ピーク位置を求めた。
その結果、膜状部材のヤング率をＥ（Ｐａ）とし、厚みをｔ（ｍ）とし、背面空間の厚み（背面距離）をｄ（ｍ）とし、膜状部材が振動する領域の円相当直径、すなわち、膜状部材が枠体に固定されている場合には枠体の開口部の円相当直径をΦ（ｍ）とすると、膜状部材の硬さＥ×ｔ3（Ｐａ・ｍ3）を、２１．６×ｄ-1.25×Φ4.15以下とすることが好ましいことがわかった。この条件とすることで、基本振動モードの吸音率より高次振動モードの吸音率を大きくすることができる。まず、ヤング率および厚み等の単独パラメータではなく、Ｅ×ｔ3が膜の硬さを支配するパラメータであることが分かった。次に、背面距離に対する依存性と枠体（開口部）のサイズ（膜の振動可能部分の大きさに等しい）に対する依存性の、硬さに与える影響が上記式の係数で表されることが分かった。これらを基にして、検討した結果、高次振動モードの吸音率を基本振動モードの吸音率より大きくするには上式の範囲を満たす必要があることを明らかにした。さらに、係数ａを用いて、ａ×ｄ-1.25×Φ4.15と表すと、係数ａが、１１．１以下、８．４以下、７．４以下、６．３以下、５．０以下、４．２以下、３．２以下と係数ａが小さくなるほど好ましいことがわかった。この範囲に限定することで、さらに高次振動モードの吸音率が基本振動モードの吸音率に対して大きくなる。
また、膜状部材の硬さＥ×ｔ3（Ｐａ・ｍ3）は、２．４９×１０-7以上であることが好ましく、７．０３×１０-7以上であることがより好ましく、４．９８×１０-6以上であることがさらに好ましく、１．１１×１０-5以上であることがよりさらに好ましく、３．５２×１０-5以上であることが特に好ましく、１．４０×１０-4以上であることが最も好ましいことがわかった。膜が柔らかすぎると、膜の質量のみが機能して振動バネ要素が機能しない、すなわち質量と背面空間のみの共鳴となる。この場合、最大吸音率が小さくなる傾向であることが分かった。よって、吸音率を大きくするためにはこれらの条件を満たす必要がある。
膜状部材の硬さを上記範囲とすることで、膜型共鳴構造体１０において高次振動モードを好適に励起することができる。
ここで、基本振動モードの周波数における吸音率よりも吸音率が高い、少なくとも１つの高次振動モードの周波数における吸音率は、２０％以上であるのが好ましく、３０％以上であるのがより好ましく、５０％以上であるのがさらに好ましく、７０％以上であるのが特に好ましく、９０％以上であるのが最も好ましい。
なお、以下の説明において、基本振動モードの周波数における吸音率よりも吸音率が高い高次振動モードを単に「高次振動モード」とも言い、その周波数を単に「高次振動モードの周波数」とも言う。
また、２つ以上の高次振動モードの周波数における吸音率がそれぞれ２０％以上であるのが好ましい。
複数の高次振動モードの周波数で吸音率が２０％以上とすることで、複数の周波数で吸音することができる。
さらに、吸音率が２０％以上となる高次振動モードが連続して存在する振動モードであるのが好ましい。すなわち、例えば、２次振動モードの周波数における吸音率と３次振動モードの周波数における吸音率がそれぞれ２０％以上であるのが好ましい。
さらに、吸音率が２０％以上となる高次振動モードが連続して存在する場合に、これら高次振動モードの周波数の間の帯域全域で吸音率が２０％以上となるのが好ましい。
これによって、広帯域に吸音効果を得ることができる。
また、可聴域で吸音効果を得られる観点から、吸音率が２０％以上となる高次振動モードの周波数が１ｋＨｚ～２０ｋＨｚの範囲に存在することが好ましく、１ｋＨｚ～１５ｋＨｚの範囲に存在するのがより好ましく、１ｋＨｚ～１２ｋＨｚの範囲に存在するのがさらに好ましく、１ｋＨｚ～１０ｋＨｚの範囲に存在するのが特に好ましい。
本発明において可聴域とは、２０Ｈｚ～２００００Ｈｚである。
また、可聴域内において、吸音率が最大となる周波数が２ｋＨｚ以上に存在するのが好ましく、４ｋＨｚ以上に存在するのがより好ましく、６ｋＨｚ以上に存在するのがさらに好ましく、８ｋＨｚ以上に存在するのが特に好ましい。
また、小型化の観点から、膜型共鳴構造体１０の最も厚みの厚い部分の厚み（図２中Ｌo）は１０ｍｍ以下であるのが好ましく、７ｍｍ以下であるのがより好ましく、５ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。また、厚みの下限値は、膜状部材を適切に支持できれば限定はないが、０．１ｍｍ以上であるのが好ましく、０．３ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。
また、図１に示す例では、枠体１８は円筒形状としたが、これに限定はされず、膜状部材１６を振動可能に支持できれば、種々の形状とすることができる。例えば、図１３に示すように、枠体１８は、直方体形状で一面に底面を有する開口部２０が形成された形状、すなわち、一面が開放された箱型形状としてもよい。なお、図１３においては説明のため、膜状部材１６の図示を一部省略している。
また、図４および図５に示す例では、背面空間２４は、枠体１８と膜状部材１６とに完全に囲まれた閉空間としたが、これに限定はされず、空気の流れが阻害されるように空間がほぼ仕切られていればよく、完全な閉空間の他に、膜やそのほかの部分に一部開口を有していても良い。このような一部に開口を有する形態は、温度変化あるいは気圧変化により背面空間２４内の気体が膨張あるいは収縮して膜状部材１６に張力が付加されて膜状部材の硬さが変化することで吸音特性が変化することを防ぐことができる点で好ましい。
例えば、図１４に示す例のように、膜状部材１６に貫通孔１７が形成されていてもよい。
貫通孔１７を設けることで、ピーク周波数を調整することができる。
膜部分に貫通孔を形成することで、空気伝搬音による伝搬が生じる。これによって膜の音響インピーダンスが変化する。また、貫通孔によって膜の質量が減少する。これらによって、共鳴周波数が変化したと考えられる。従って、貫通孔の大きさによってもピーク周波数をコントロールができる。
貫通孔が形成される位置については特に限定はない。例えば、貫通孔を膜状部材に設ける場合には、膜状部材の面方向の中央の位置に貫通孔を設ける構成としてもよく、枠体に固定された端部付近の位置に貫通孔を設ける構成としてもよい。
この場合、貫通孔の位置によって吸音率および吸音ピーク周波数（以下、吸音スペクトルともいう）が変化する。例えば、中央の位置に貫通孔を形成した場合の方が、端部近傍の位置に貫通孔を形成した場合よりも、貫通孔を形成しない場合に比べて吸音スペクトルの変化量が大きくなる。
貫通孔１７の大きさは、空気の流れが阻害される大きさであれば特に限定はない。具体的には、振動部分の大きさより小さい範囲の中で円相当直径で０．１ｍｍ～１０ｍｍが好ましく、０．５ｍｍ～７ｍｍがより好ましく、１ｍｍ～５ｍｍがさらに好ましい。
また、振動部分面積に対して貫通孔１７の面積は５０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましい。
貫通孔は複数あいていても同様に調整をすることができる。
また、膜状部材は、その一方の面から他方の面に貫通する１つ以上の切断部を有する構成であってもよい。切断部は、膜状部材が振動する領域に形成されるのが好ましく、振動する領域の端部に形成されるのが好ましい。また、切断部は、膜状部材が振動する領域と枠体に固定される領域との境界に沿って形成されるのが好ましい。
また、切断部の長さは、膜状部材が振動する領域が完全に分割されない長さであれば限定はないが、枠直径に対して９０％未満であることが好ましい。
また、切断部は１つ形成されるものであってもよいし、２以上形成されていてもよい。
膜状部材に切断部を形成することで吸音する周波数をブロード化（広帯域化）することができる。
あるいは、図１５に示す例のように、枠体１８に貫通孔１７が形成されていてもよい。
あるいは、図１６に示す例のように、背面板２２に貫通孔１７が形成されていてもよい。
これによって膜型共鳴構造体内外の通気性を確保し、温湿度変化あるいは気圧変化等による各部の膨張（特に膜状部材）、結露等を防ぐことができる。
枠体および／または背面板に貫通孔を設ける場合にも、貫通孔を設ける位置は特に制限されない。例えば、膜型共鳴構造体の、電動車の部品の近傍の位置に貫通孔があり、他の面に膜面があることが望ましい。例えば、図１７に示すように、背面板２２に貫通孔１７を設け、その面と近接した位置に電動車の部品（例えばボンネット１０６）がある構成である。膜状部材１６はボンネット１０６と反対側の開放された方向を向き、音に対して振動が制限されない。一方で、貫通孔１７はボンネット１０６と近接（数ｍｍ程度、１ｍｍ以下でもよい）離して近接していることで、風はほぼ流入せず風切り音の心配はなく、一方で貫通孔１７の効果である環境耐性向上の効果は得られる。また、図１７に示すように、膜型共鳴構造体１０のボンネット１０６（電動車の部品）への取り付けは、スペーサー１１４を用いて行えばよい。スペーサー１１４は枠状の部材であってもよいし、柱状の部材であって、膜型共鳴構造体１０の４つの角部に配置する構成であってもよい。
また、図１８に示す例のように、背面板２２が電動車の部品（ボンネット１０６）に直接取り付けられている場合、ならびに、背面板２２および／または枠体１８が電動車の部品（ボンネット１０６）と一体化した構成の場合にも、枠体１８の、電動車の部品付近の位置に貫通穴１７をあけることによって、その部位の風が弱いために風切り音も小さくなる。
また、背面板は、振動可能な膜状の部材であってもよい。背面板を膜状の部材とすることで、膜型共鳴構造体を軽量化することができる。また、背面板が振動することで吸音効果を得ることができる。
また、図４に示す例では、膜型共鳴構造体は、１つの開口部を有する枠体および背面板を用いる構成としたが、これに限定はされず、膜型共鳴構造体は、２以上の開口部を有する枠体を用いて、各開口部に膜状部材を配置する構成としてもよい。言い換えると、１つの開口部を有する枠体と１つの膜状部材とを有する膜型共鳴構造体を１つの防音セルとして、複数の防音セルの枠体および背面板が一体化した構成を有する膜型共鳴構造体としてもよい。さらに、各防音セルの膜状部材が一体化したものであってもよい。
例えば、図２０に示す例では、膜型共鳴構造体は、同じ面に形成された３つの開口部を有する枠体３０ｄと、３つの開口部を覆う大きさの膜状部材１６ｆとを有し、膜状部材１６ｆが枠体３０ｄの３つの開口部が形成された面に接着剤／粘着剤等によって固定されている。膜状部材１６ｆは、３つの開口部それぞれを覆っており、各開口部部分が独立に振動可能である。また、各開口部内には、膜状部材１６ｆと枠体３０ｄとに囲まれて背面空間２４が形成されている。すなわち、図２０に示す例は、膜型共鳴構造体は、３つの防音セルを有し、各防音セルの枠体、背面空間、および、膜状部材がそれぞれ一体化した構成を有する。
ここで、図２０に示す例では、各防音セルは同一の厚みで、同一平面内に配列される構成としたが、これに限定はされない。厚みの観点から、同一の厚みで、同一平面内に配列されることが好ましい。
また、図２０に示す例では、各防音セルは同じ仕様であり、同じ共鳴周波数を有する構成としたが、これに限定はされず、膜型共鳴構造体は、異なる共鳴周波数を有する防音セルを有する構成としてもよい。具体的には、膜型共鳴構造体は、背面空間の厚み、膜の材質、および、膜の厚み等の少なくとも１つが異なる防音セルを有していてもよい。
例えば、図２１に示す例の膜型共鳴構造体は、枠体３０ａが、大きさの異なる３種の開口部をそれぞれ２つ有しており、各開口部には、大きさの異なる膜状部材１６ａ～１６ｃが配置されている。すなわち、図２１に示す例の膜型共鳴構造体は、膜状部材が振動する領域の面積が異なることによって、共鳴周波数が異なっている防音セルを３種、有する構成である。
また、図２２に示す例の膜型共鳴構造体は、枠体３０ｂが、深さの異なる３種の開口部を有しており、各開口部に膜状部材１６が配置されている。すなわち、各防音セルは、厚みの異なる背面空間２４ａ～２４ｃを有している。従って、図２２に示す例の膜型共鳴構造体は、背面空間の厚みが異なることによって、共鳴周波数が異なっている防音セルを３つ有する構成である。
また、図２３に示す例の膜型共鳴構造体は、材質の異なる２種の膜状部材１６ｄおよび１６ｅと、６つの開口部を有する枠体３０ｃとを有しており、６つの開口部それぞれに、２種の膜状部材１６ｄおよび１６ｅのいずれか一方が、交互に配置されている。従って、図２３に示す例の膜型共鳴構造体は、膜状部材の材質が異なることによって、共鳴周波数が異なっている防音セルを２種、有する構成である。
図２１～図２３に示す例の膜型共鳴構造体のように、異なる共鳴周波数を有する防音セルを有する構成とすることで、複数の周波数帯域で同時に消音することができる。
なお、図２１～図２３に示す例では、膜型共鳴構造体は、各防音セルの枠体を一体化した構成としたが、これに限定はされず、異なる周波数帯域で消音する独立した防音セルを並べたり敷き詰めたりすることでも、複数の周波数に対応させることができる。
また、図１９に示す例のように、本発明の膜型共鳴構造体は、背面空間２４内に多孔質吸音体２６を有する構成としてもよい。
背面空間２４に多孔質吸音体２６を配置することで、ピーク吸音率が小さくなる代わりに低周波側に広帯域化することができる。
また、図２４に示す例のように、膜型共鳴構造体は、膜状部材１６ｆの上面（枠体３０ｄとは反対側の面）に配置される多孔質吸音体２６ａを有していてもよいし、枠体３０ｄの側面および底面等の外側面に配置される多孔質吸音体２６ｂを有していてもよい。これにより、膜振動による共鳴的な消音と、多孔質吸音体による広帯域な吸音効果を併用することができる。
多孔質吸音体２６としては、特に限定はなく、従来公知の多孔質吸音体が適宜利用可能である。例えば、発泡ウレタン、軟質ウレタンフォーム、木材、セラミックス粒子焼結材、フェノールフォーム等の発泡材料および微小な空気を含む材料；グラスウール、ロックウール、マイクロファイバー（３Ｍ社製シンサレートなど）、フロアマット、絨毯、メルトブローン不織布、金属不織布、ポリエステル不織布、金属ウール、フェルト、インシュレーションボードおよびガラス不織布等のファイバーおよび不織布類材料；木毛セメント板；シリカナノファイバーなどのナノファイバー系材料；石膏ボード；種々の公知の多孔質吸音体が利用可能である。
多孔質吸音体の流れ抵抗σ1には特に限定はないが、１０００～１０００００（Ｐａ・ｓ／ｍ2）が好ましく、５０００～８００００（Ｐａ・ｓ／ｍ2）がより好ましく、１００００～５００００（Ｐａ・ｓ／ｍ2）がさらに好ましい。
多孔質吸音体の流れ抵抗は、１ｃｍ厚の多孔質吸音体の垂直入射吸音率を測定し、Ｍｉｋｉモデル（Ｊ． Ａｃｏｕｓｔ． Ｓｏｃ． Ｊｐｎ．， １１（１） ｐｐ．１９－２４ （１９９０））でフィッティングすることで評価することができる。または「ＩＳＯ ９０５３」に従って評価してもよい。
枠体１８および背面板２２の材料（以下、まとめて枠材料ともいう）としては、金属材料、樹脂材料、強化プラスチック材料、および、カーボンファイバ等を挙げることができる。金属材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム、タングステン、鉄、スチール、クロム、クロムモリブデン、ニクロムモリブデン、銅および、これらの合金等の金属材料を挙げることができる。また、樹脂材料としては、例えば、アクリル樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミドイド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルフォン、ポリエチレンテレフタラート、ポリブチレンテレフタラート、ポリイミド、ＡＢＳ樹脂(アクリロニトリル(Acrylonitrile)、ブタジエン (Butadiene)、スチレン(Styrene)共重合合成樹脂)、ポリプロピレン、および、トリアセチルセルロース等の樹脂材料を挙げることができる。また、強化プラスチック材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、および、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）を挙げることができる。また、天然ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエンゴム）、シリコーンゴム等ならびにこれらの架橋構造体を含むゴム類を挙げることができる。
また、枠材料として各種ハニカムコア材料を用いることもできる。ハニカムコア材料は軽量で高剛性材料として用いられているため、既製品の入手が容易である。アルミハニカムコア、ＦＲＰハニカムコア、ペーパーハニカムコア（新日本フエザーコア株式会社製、昭和飛行機工業株式会社製など）、熱可塑性樹脂（ＰＰ，ＰＥＴ,ＰＥ，ＰＣなど）ハニカムコア（岐阜プラスチック工業株式会社製ＴＥＣＣＥＬＬなど）など様々な素材で形成されたハニカムコア材料を枠体として使用することが可能である。
また、枠材料として、空気を含む構造体、すなわち、発泡材料、中空材料、多孔質材料等を用いることもできる。多数の膜型の膜型共鳴構造体を用いる場合に各セル間で通気しないためにはたとえば独立気泡の発泡材料などを用いて枠を形成することができる。例えば、独立気泡ポリウレタン、独立気泡ポリスチレン、独立気泡ポリプロピレン、独立気泡ポリエチレン、独立気泡ゴムスポンジなど様々な素材を選ぶことができる。独立気泡体を用いることで、連続気泡体と比較すると音、水、気体等を通さず、また構造強度が大きいため、枠材料として用いるには適している。また、上述した多孔質吸音体が十分な支持性を有する場合は、枠体を多孔質吸音体のみで形成しても良く、多孔質吸音体と枠体の材料として挙げたものを、例えば混合、混錬等により組み合わせて用いても良い。このように、内部に空気を含む材料系を用いることでデバイスを軽量化することができる。また、断熱性を付与することができる。
ここで、枠体１８および背面板２２は、高温となる位置配置可能な点から、難燃材料より耐熱性の高い材料からなることが好ましい。耐熱性は、例えば、建築基準法施行令の第百八条の二各号を満たす時間で定義することができる。建築基準法施行令の第百八条の二各号を満たす時間が５分間以上１０分間未満の場合が難燃材料であり、１０分間以上２０分間未満の場合が準不燃材料であり、２０分間以上の場合が不燃材料である。ただし耐熱性は各分野ごとで定義されることが多い。そのため、膜型共鳴構造体を利用する分野に合わせて、枠体１８および背面板２２を、その分野で定義される難燃性相当以上の耐熱性を有する材料からなるものとすればよい。
枠体１８の肉厚（フレーム厚み）および厚み（開口面に垂直な方向の高さ、図２中のＬb）も、膜状部材１６を確実に固定、支持することができれば、特に制限的ではなく、例えば、枠体１８の開口断面の大きさ等に応じて設定することができる。
背面板の厚み（図５中のｔ1）も特に制限的ではない。
膜状部材１６の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、パーマロイ、４２アロイ、コバール、ニクロム、銅、ベリリウム、リン青銅、黄銅、洋白、錫、亜鉛、鉄、タンタル、ニオブ、モリブデン、ジルコニウム、金、銀、白金、パラジウム、鋼鉄、タングステン、鉛、および、イリジウム等の各種金属；ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）、ＰＶＤＣ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＭＰ（ポリメチルペンテン）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ゼオノア、ポリカーボネート、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、アラミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ナイロン、ＰＥｓ（ポリエステル）、ＣＯＣ（環状オレフィン・コポリマー）、ジアセチルセルロース、ニトロセルロース、セルロース誘導体、ポリアミド、ポリアミドイミド、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ポリロタキサン（スライドリングマテリアルなど）および、ポリイミド等の樹脂材料等が利用可能である。さらに、薄膜ガラスなどのガラス材料、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）およびＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）のような繊維強化プラスチック材料を用いることもできる。また、天然ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ＥＰＤＭ、シリコーンゴム等ならびにこれらの架橋構造体を含むゴム類を用いることができる。または、それらを組合せたものでもよい。
また、金属材料を用いる場合には、錆びの抑制等の観点から、表面に金属めっきを施してもよい。
熱、紫外線、外部振動等に対する耐久性が優れている観点から、耐久性を要求される用途においては膜状部材１６の材料として金属材料を用いることが好ましい。
また、枠体１８への膜状部材１６の固定方法は特に制限的ではなく、両面テープまたは接着剤を用いる方法、ネジ止め等の機械的固定方法、圧着等が適宜利用可能である。固定方法についても、枠体や膜体と同様に耐熱、耐久性、耐水性の観点から選択することができる。例えば、接着剤としては、セメダイン社「スーパーＸ」シリーズ、スリーボンド社「３７００シリーズ（耐熱）」、太陽金網株式会社製耐熱エポキシ系接着剤「Duralcoシリーズ」などを選択することができる。また、両面テープとしては、スリーエム製高耐熱両面粘着テープ9077などを選択することができる。このように、要求する特性に対して様々な固定方法を選択することができる。
また、自動車（電動車）においては、接着剤が多用されているため、それらを使用することもできる。構造用接着剤として、エポキシ接着剤、ウレタン接着剤等の自動車に用いられて実績のあるものを用いることで、自動車用途の耐久性に耐えうる性能を出すことができる。また、一液性接着剤を用いてもよいし、硬化温度を常温程度に低くするために二液性接着剤を用いることもできる。例えば、スリーエム社3Ｍ Scotch-Weldシリーズを選ぶことができる。
両面テープに関しても、従来、自動車に用いられている両面テープを用いることもできる。例えば、スリーエム社スコッチ（登録商標） 強力両面テープ［自動車内装用］ SCP-15、スコッチ 強力両面テープ ［自動車外装用］ KCA-15、スコッチ 超強力両面テープ プレミアゴールド ［自動車内装用］ KCR-15などを選択することができる。
また、枠体１８、背面板２２、および、膜状部材１６の材料としていずれも樹脂材料などの透明性のある材料を選ぶことで、膜型共鳴構造体１０自体を透明にすることができる。例えば、ＰＥＴ、アクリル、ポリカーボネートなど透明性樹脂を選べばよい。一般の多孔質吸音材料では可視光の散乱を防ぐことができないため、透明な膜型共鳴構造体を実現できることに特異性がある。
さらに、枠体１８、背面板２２および／または膜状部材１６に反射防止コートあるいは反射防止構造をつけても良い。例えば、誘電体多層膜による光学干渉を用いた反射防止コートをすることができる。可視光を反射防止することで、枠体１８、背面板２２および／または膜状部材１６の視認性がさらに下げて目立たなくすることができる。
このようにして透明な膜型共鳴構造体を例えば窓部材に取り付けたり、代替として用いることができる。
また、枠体１８、背面板２２もしくは膜状部材１６に遮熱機能を持たせることもできる。金属材料であれば一般的に近赤外線も遠赤外線も反射するため輻射熱伝導を抑制することができる。また、透明樹脂材料などであっても遮熱構造を表面に持たせることで透明なまま近赤外線のみを反射させることができる。例えば、誘電体多層構造によって可視光を透過させたまま近赤外線を選択的に反射させることができる。具体的には、３Ｍ社Ｎａｎｏ９０ｓなどのマルチレイヤーＮａｎｏシリーズは２００層超の層構成で近赤外線を反射するため、このような構造を透明樹脂材料に対して貼り合わせて枠体や膜状部材として用いることもできるし、この部材自体を膜状部材１６として利用してもよい。例えば、窓部材の代替として吸音性と遮熱性を有する構造とすることができる。
環境温度が変化する系では、枠材料と膜状部材１６の材料とも環境温度に対して物性変化が小さいことが望ましい。
本発明において膜型共鳴構造体１０は好ましくは、モーターコンパートメント１０４内に配置される。前述のとおり、モーターコンパートメント１０４内は温度変化が大きく、温度によって枠材料および膜状部材１６の材料の物性が変化すると、膜振動の共鳴周波数が変化してしまい、所望の消音効果を得られなくなるおそれがある。
そのため、例えば樹脂材料を用いる場合には、大きな物性の変化をもたらす点（ガラス転移温度、融点等）が環境温度域外にあるものを用いることが望ましい。
さらに、枠材料と膜状部材とで異質の部材を用いる場合には、環境温度に於ける熱膨張係数（線熱膨張係数）が同程度であることが望ましい。
枠材料及び膜状部材との間で熱膨張係数が大きく異なると、環境温度が変化した場合に枠体および背面板と膜状部材の変位量が異なるため、膜に歪みが生じ易くなる。歪み及び張力変化は、膜の共鳴周波数に影響を与えるため、温度変化に伴って消音周波数が変化し易くなり、また温度が元の温度に戻っても歪みが緩和せずに消音周波数が変化したままになる場合がある。
これに対して、熱膨張係数が同程度である場合には、温度変化に対して枠体および背面板と膜状材料とが同様に伸び縮みするために歪みが生じ難くなる結果、環境温度の変化に対して安定した消音特性を発現できる。
熱膨張係数の指標として線膨張率が知られており、線膨張率は、例えばＪＩＳ Ｋ ７１９７等公知の方法で測定することができる。枠体と膜状材料との線膨張率の差は、使用する環境温度域に於いて９ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましく、５ｐｐｍ／Ｋ以下であることがより好ましく、３ｐｐｍ／Ｋ以下であることが特に好ましい。このような範囲から部材を選定することで、使用する環境温度で安定した消音特性を発現できる。
また、膜状部材を振動可能に支持する枠体は、膜状部材を膜振動可能に支持できればよく、電動車の車体の一部であってもよい。これにより、車体側に枠体をあらかじめ一体成型し、膜を後から取り付けることもできる。
以上、本発明の膜型共鳴構造体についての種々の実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良又は変更をしてもよいのはもちろんである。
以下に実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。
［実施例１］
＜膜型共鳴構造体の作製＞
厚み３ｍｍのアクリル板（株式会社光製）を用意し、２０ｍｍ×２０ｍｍの開口部を６×１１個有する枠体を作製した。加工はレーザーカッターを用いて行った。全体サイズは３００ｍｍ×１８０ｍｍとした。
背面板として厚み２ｍｍのアクリル板を３００ｍｍ×１８０ｍｍのサイズに加工し、枠体の一方の面に取り付けた。取り付けは両面テープ（アスクル製 現場のチカラ）を用いて行った。
膜状部材として、厚み５０μｍのＰＥＴフィルム（東レ株式会社製ルミラー）を３００ｍｍ×１８０ｍｍのサイズに切り出した。膜状部材を枠体の他方の面に両面テープで取り付けた。
これにより、厚み５０μｍの膜状部材が２０ｍｍ×２０ｍｍのサイズで膜振動部を構成し、背面距離が３ｍｍの膜型共鳴構造体を６×１１個配列した構造となる。
＜音響管測定＞
作製した構造体の垂直入射吸音率を測定した。音響管測定として、JIS A 1405-2に従った垂直入射吸音率の測定系を作製して評価を行った。これと同様の測定は日本音響エンジニアリング製WinZacMTXを用いて行うことができる。音響管の内部直径は２ｃｍとし、その音響管端部に上記膜型共鳴構造体の膜面を音響入射面側として配置し、垂直入射吸音率評価を行った。結果を図２５に示した。この膜型共鳴構造体は、３ｋＨｚと４ｋＨｚにほぼ１００％の大きな吸音率を有するものであることがわかる。この膜型共鳴構造体は、１．７ｋＨｚ付近の吸音が基本振動の吸音率であり、この膜型共鳴構造体は基本振動の吸音率より高次振動の吸音率が大きくなるように設計したものである。
また、図２５から、この膜型共鳴構造体では３ｋＨｚと４ｋＨｚとの間の周波数帯域でも高い吸音率が得られており、特定の周波数帯域を吸音するものでありつつ、ある程度の帯域幅で吸音できることがわかる。
＜評価＞
作製した膜型共鳴構造体を電動車に組み込んで以下のようにして消音量を評価した。
電動車として日産自動車製リーフ（２０１７年型）を用いた。リーフのモーターコンパートメント内は、ほぼ中央部下側にモーターがあり、その上にインバーターが積み重ねられている。実車走行によって、モーターおよびインバータともに１ｋＨｚ以上の高周波帯に複数本の強い単周波音成分を発することが分かっている。このリーフは、一般の自動車と同様に、モーターコンパートメントの下部には開放部が存在し、また、モーターコンパートメントから車室内に通気している孔部、ボンネット側方部に発泡ウレタンが詰められた開放部などが存在する。本実験の目的は、このような複雑な形状をした電動車のように、モーターコンパートメントから車室内への音伝達経路について複数のパスが存在する状況において、特定音騒音を抑制できることを示すことにある。上記複数のパスは、ダッシュインシュレータ部などを振動させて伝わる経路、一度モーターコンパートメント外に音が出て再度車室内に侵入する経路、モーターコンパートメントから車室内に孔部を通って直接空気伝搬音として伝わる経路などが存在する。
実験は電動車を無響室内に配置して反響音のない環境下で、かつ暗騒音が十分に小さい条件で評価を行った。無響室は日本音響エンジニアリング株式会社の無響室を用いて測定を行った。
電動車のモーターコンパートメント内の、ボンネットに作製した膜型共鳴構造体を２つ取り付けた。膜型共鳴構造体の位置はリーフの吸音材料（フェルト系多孔質吸音体、厚みは最大３０ｍｍ程度）が取り付けられた位置であり、この吸音材料を取り外して代わりに膜型共鳴構造体を配置した。
音源としては、インバータおよびモーターのピーク音を模擬するために、ホースで導波路を形成してスピーカー（Anker製スピーカー）の音を引き込む、いわゆるホース音源（日本音響エンジニアリング社作製）の端部を、インバーターカバー側方部に固定した。スピーカー用のパワーアンプはYAMAHA2500Sを使用し、日本音響エンジニアリング社製ソフトウェアのノイズジェネレータでホワイトノイズを発生させた。
マイクロホンは小野測器製のMI-1431を用いた。配置場所は音源付近としてインバーターカバー部に３本、車室外に１本、車室内の運転手耳位置に３本固定して測定した。複数本のマイクロホンを配置した理由は、特に高周波音に関して波長サイズが小さいことにより場所依存性が大きい可能性があるためである。以下の結果では、車室内耳位置のマイクロホンのデータを平均化した結果を示す。
分析は、１／３オクターブバンド（周波数重みづけFLAT）と、狭帯域スペクトルの双方を同時に行った。
まず、リファレンスとして、膜型共鳴構造体を配置しない状態でスピーカーからホワイトノイズを発生させて、車室内耳位置での音圧測定をした。測定時はボンネット、および、車室のドアともに閉めた状態で実験を行った。
次に、膜型共鳴構造体を配置した状態で、スピーカーからホワイトノイズを発生させて、車室内耳位置での音圧測定をした。リファレンスの音圧測定結果に対する差分を消音量として求めた。結果を図２６に示す。
図２６から、膜型吸音構造体が共鳴を有する４ｋＨｚ付近で、９ｄＢ以上の消音量が得られたことがわかる。この膜型共鳴構造体の背面厚みは３ｍｍであり、一方で４ｋＨｚの波長は８６ｍｍであるため、波長に対してわずか３．５％の厚みで、大きな消音効果を得ることができることがわかる。
［比較例１］
比較例１では、膜型共鳴構造体に代えて、自動車の防音材としてよく用いられる３Ｍ社製シンサレート（ＰＰＳ－２００）を用いた。シンサレートの厚みは１３ｍｍである。このシンサレート背面に、背面板を取り付けた。背面板は、実施例１の背面板と同様にしてアクリル板を加工して作製した。これを実施例１と同じ面積にレーザーカッターで加工した。加工後の防音材を、実施例１と同じ位置に取り付けて上記と同様の測定を行った。
［比較例２］
比較例２として、リーフに元々取り付けられていたフェルト系防音材を用いた。元の取り付け状態にし、実施例１と同様の測定を行った。このフェルト系防音材自体の厚みは最大３０ｍｍ程度であり、さらに背面に空間ができるような取り付け方となっている。
比較例１および比較例２の測定結果を図２７に示す。また、図２７には実施例１の結果も示す。最も薄い実施例１の膜型吸音構造体が、４ｋＨｚの消音ピークにおいて高い消音量が得られることがわかる。また、１／３オクターブバンドでの評価結果を表１に示す。１／３オクターブバンド評価での消音量においても実施例１は比較例１および２を上回っていることがわかる。
Figure 0007141473000001
図２８に、３ｋＨｚ付近の消音量を実施例１と比較例１で比較した結果を示す。図２５に示したように、本発明の電動車用消音部材が有する膜型共鳴構造体は、複数の周波数領域に異なる膜振動モードを有し、それぞれ高い吸音を示す。図２８に示すのように、実施例１は、４ｋＨｚと別のモードである３ｋＨｚの吸音に関しても、より厚みのあるシンサレート（比較例１）の消音量を大きく上回っている。このように、本発明の電動車用消音部材が有する膜型共鳴構造体は、複数の次数の膜振動共鳴に応じて、複数の周波数のピーク音を同時に消音することができる。
このように、本発明の電動車用消音部材は、従来の多孔質吸音体に対して、薄くかつ高い消音効果を有することがわかる。特に、現在市販されている電動車の吸音体に対して厚みを１／１０として、かつ高い消音効果が得られており、ピーク音の消音には優れた構造であることがわかる。
［実施例２］
背面空間の厚み（すなわち、アクリル板の厚み）を５ｍｍとし、枠体の開口部のサイズを３０ｍｍ×３０ｍｍとし、膜状部材（ＰＥＴフィルム）の厚みを１００μｍとし、４×８個配列した構成とした以外は、実施例１と同様にして膜型共鳴構造体を作製し、実施例１と同様にして消音量を測定した。
実施例２の膜型共鳴構造体は、２ｋＨｚ近傍に吸音ピークを有する。
結果を図２９に示す。
図２９から、実施例２は、比較例１に比べて消音量が大きく、最大で１０．５ｄＢの消音量が得られることがわかる。
［実施例３］
背面空間の厚み（すなわち、アクリル板の厚み）を２ｍｍとし、６×１１個配列した構成とした以外は、実施例１と同様にして膜型共鳴構造体を作製し、実施例１と同様にして消音量を測定した。
実施例３の膜型共鳴構造体は、４．５ｋＨｚ近傍に吸音ピークを有する。
結果を図３０に示す。
図３０から、実施例３は、比較例１に比べて消音量が大きいことがわかる。
［比較例３］
前述のとおり、狭帯域な音を消音する構造として、ヘルムホルツ共鳴構造が知られてり、先行文献に挙げたように自動車に用いる試みも行われている。そこで、比較例３として、ヘルムホルツ共鳴構造を作製して、実施例１と同様の評価を行った。
狙いの周波数を４ｋＨｚとした。
表面板は、厚み３ｍｍのアクリル板に直径６ｍｍの貫通孔を有するものとした。中間枠は厚み３ｍｍ、枠サイズ２０ｍｍのアクリル枠構造とした。背面板は厚み２ｍｍのアクリル板とした。すなわち、２０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍの内部空間と、直径６ｍｍ、長さ３ｍｍの開口部とを有するヘルムホルツ共鳴構造とした。配列は実施例１に合わせて、６×１１個配列した。
ヘルムホルツ共鳴構造においては、表面板の厚みも吸音に主要な寄与をするため薄くすることができず、背面板を除いて合計6mmの厚みとなっている。一方で実施例１の膜型共鳴構造体は薄い膜を用いることができるため、背面板を除いて合計３．０５ｍｍの厚みである。これは、それぞれの共鳴の特徴に起因する本質的な差であり、同じ周波数を狙うためには、ヘルムホルツ共鳴より膜型共鳴構造の方が軽量化、小型化、薄型化が可能である。
実施例１と同様にしてこのヘルムホルツ共鳴構造を電動車に組み込んで消音量の測定した。結果を図３１および図３２に示す。
図３２から、実施例１および比較例３の両方の構造の共鳴がある４ｋＨｚ付近においては、実施例１と比較例３とでは消音量はほとんど変わりがないことがわかる。すなわち、膜型吸音構造体はヘルムホルツ共鳴構造の約半分の体積で同等の消音効果を示すことができることがわかる。
さらに、図３１から、３ｋＨｚ付近においては、実施例１は別の振動次数によって消音効果を有しているが、比較例１は複数の周波数帯域に共鳴を持つことができないために消音効果がないことがわかる。
このように、本発明の電動車用消音部材が有する膜型吸音構造体は、ヘルムホルツ共鳴構造に対して、軽量薄型であること、複数の周波数の消音ができることで優位性があることがわかる。
＜風切り音の影響評価＞
膜型共鳴構造体とヘルムホルツ共鳴体との比較として、風切り音の効果を見るために以下の実験を行った。
ＤＣ軸流ファン（三洋電気社製 Ｓａｎ Ａｃｅ ６０，Ｍｏｄｅｌ：９ＧＡ０６１２Ｐ１Ｊ０３）を用意し、そのファンをダクト（開口断面６０ｍｍ×６０ｍｍ、長さ１４５ｍｍ）の一方の端面に取り付けた。ダクトの他方の端部にマイクロフォン（アコー社製）を配置し、なにもデバイスがない状態（参考例）、壁面の一部を膜型共鳴構造体とした状態（実施例４）、壁面の一部をヘルムホルツ共鳴体とした状態（比較例４）について音量を測定し比較を行なった。ここで膜型共鳴構造体、および、ヘルムホルツ共鳴体の共鳴周波数は１．５ｋＨｚに合わせた。膜型共鳴構造体については２次振動モードでの共鳴周波数である。
膜型共鳴構造体は、膜状部材が、１２５μｍ厚みのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムとし、枠体が、Φ２６ｍｍの開口部を有し、背面距離（厚み）が５ｍｍとした。
ヘルムホルツ共鳴体は、膜型共鳴構造体と体積が同一になるように設計した。即ち、表面板の厚みが２ｍｍ、背面距離を３ｍｍとして、背面空間はΦ２６ｍｍの円柱状空洞であり、表面板には孔径２．５ｍｍ、厚み２ｍｍの貫通穴（共鳴穴）が形成されるものとした。
また、膜型共鳴構造体およびヘルムホルツ共鳴体ともに、ダクトの一方の端面側の側面に取り付けた。
ファンに入れる電流量を調整して、ファンのピーク音が１．５ｋＨｚに一致するように合わせた。ファンのピーク音とは、（ファンの羽枚数×回転速度）で基本周波数が決まり、その整数倍の周波数で強い音が発せられる現象である。ダクト端部で風速を測定すると１０ｍ／ｓであった。
この状態で周波数と音量との関係を測定した。
図３３に結果を示す。図３３に示すグラフにおいて、横軸の周波数軸は、ノイズ除去のために２０Ｈｚごとに平均化処理をしている。
図３３から、まず、ピーク周波数に注目すると、膜型共鳴構造体が１０ｄＢ以上ピーク消音をしている。それと比較するとヘルムホルツ共鳴体の消音量は５ｄＢ程度であり、消音幅が小さい。さらに、その周辺周波数で、膜型共鳴体は１．４ｋＨｚ～１．６ｋＨｚ程度の範囲にわたって消音をし、そのほかの周波数では元とあまり変化がない。これは、膜型共鳴体の帯域がファンのピーク音の帯域より広いことによる。また、取り立てて風切り音による増幅は生じていないことがわかる。
一方で、ヘルムホルツ共鳴体の場合は、ピーク周波数付近１ｋＨｚ幅の帯域全体にわたって、元の音より音量が増幅している。これが風切り音の増幅である。最大５ｄＢ以上の増幅がみられ、聴感でも変化が大きかった。ヘルムホルツ共鳴体の開口部で、風によって広い周波数スペクトルにわたるホワイトノイズ状の風切り音がまず生じる。その風切り音の中で、ヘルムホルツ共鳴体の共鳴周波数付近の音が、ヘルムホルツ共鳴体によって増幅されて再放射される。これによって、共鳴ピーク付近で大きな風切り音が生じている。
このように、ヘルムホルツ共鳴体では風があると大きな風切り音を共鳴周波数を中心にして生じる一方で、膜型共鳴構造体では風切り音が生じないというメリットがあることがわかる。よって、ファンの風、あるいは、電動車の走行による風がある中で消音のために共鳴体を用いる場合には、膜型共鳴構造体を用いることで、大きな風切り音を発することなく、所望のピーク周波数の音を消音することができることがわかる。
［実施例５］
実施例５では、広帯域な消音特性を有する多孔質吸音体と、ピーク音に対する強い消音効果を有する膜型共鳴構造体を組み合わせた場合について検討した。
膜型共鳴構造体の膜面に、比較例１で用いたシンサレート（ＰＰＳ－２００）を重ねた構成とした以外は、実施例１と同様にして電動車用消音部材を作製し、実施例１と同様の評価を行った。その際、シンサレートが膜振動を押さえこまないように、シンサレートを膜型共鳴構造体の外枠のみにテープで接着した。
結果を図３４に示す。なお、図３４に示す消音量は、リファレンスを比較例１（シンサレートを配置した構成）として求めた。
図３４中矢印で示した範囲は、膜型共鳴構造体が有する高次振動の吸音極大値付近である。この範囲において、膜型共鳴構造体の共鳴に起因する強い消音効果が現れていることがわかる。さらに、より高周波側に注目すると、シンサレートの有する高周波側の広帯域で高い吸音が本構造でも維持されて広帯域吸音を示していることがわかる。すなわち、膜型虚名構造体の共鳴によるピーク音消音と、多孔質吸音体の広帯域吸音の両立ができていることがわかる。さらに、より低周波側に注目すると、実施例４は低周波側でもシンサレート単体よりも消音量が上回っていることがわかる。
このように、膜型共鳴構造体と多孔質吸音体とを積層させることで、ピーク消音と広帯域消音が全体域に渡って実現できることがわかる。
以上より本発明の効果は明らかである。
１０ 膜型共鳴構造体
１６、１６ａ～１６ｆ 膜状部材
１７ 貫通孔
１８、３０ａ～３０ｄ 枠体
１９ 開口面
２０ 開口部
２２ 背面板
２４、２４ａ～２４ｃ 背面空間
２６、２６ａ、２６ｂ 多孔質吸音体
５０ 電動車用消音部材
１００ 電動車
１０２ 電動車用モーター
１０４ モーターコンパートメント
１０６ ボンネット
１０８ 車室
１１０ タイヤ
１１２ インバーター
１１４ スペーサー

Claims (14)

  1. 電動車用消音部材であって、
    電動車内に配置された音源から発生する音を消音する膜型共鳴構造体を有し、
    前記音源は、狭帯域な音を発生するものであり、
    前記膜型共鳴構造体は、前記音源と同じ空間内、もしくは、前記電動車の車室内に配置されており、
    前記膜型共鳴構造体は、少なくとも１枚の膜状部材と、前記膜状部材を振動可能に支持する枠体と、前記膜状部材に対面して前記枠体に設置される背面板と、を有し、
    前記膜状部材、前記枠体、および、前記背面板は、前記膜状部材、前記枠体、および、前記背面板に囲まれる背面空間を形成しており、
    前記膜型共鳴構造体の前記膜状部材による膜振動によって、前記音源から発生する音を消音し、
    前記膜状部材の膜振動の、少なくとも１つの高次振動モードの周波数における吸音率が、基本振動モードの周波数における吸音率よりも高い電動車用消音部材。
  2. 前記膜型共鳴構造体は、前記音源と同じ空間内に配置される請求項１に記載の電動車用消音部材。
  3. 前記音源が、電動車用モーター、前記電動車用モーター用インバーターおよびコンバーター、ならびに、前記電動車用モーターに電力を供給する電動車用バッテリー用のインバーターおよびコンバーターの少なくとも１つである請求項１または２に記載の電動車用消音部材。
  4. 前記電動車は、前記電動車用モーターを配置するための空間を形成するモーターコンパートメントを有し、
    前記膜型共鳴構造体が、前記モーターコンパートメント内に配置される請求項３に記載の電動車用消音部材。
  5. 前記膜状部材、および、前記枠体の少なくとも一方に貫通孔が形成されている請求項１～４のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  6. 前記音源が発生する狭帯域な音のピーク周波数の波長をλとすると、
    前記膜状部材の表面に垂直な方向において、前記背面空間の厚みが、λ／６以下である請求項１～５のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  7. 前記音源が発生する狭帯域な音のピーク周波数が１０００Ｈｚ以上である請求項１～６のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  8. 前記膜型共鳴構造体に取り付けられる多孔質吸音体を有する請求項１～７のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  9. 前記膜型共鳴構造体が前記電動車のボンネットに取り付けられている請求項１～８のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  10. 前記膜型共鳴構造体が前記電動車の電動車用モーターのカバー、および、前記電動車用モーター用インバーターのカバーの少なくとも一方に取り付けられている請求項３～８のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  11. 前記枠体および前記背面板の少なくとも一方が前記電動車の部品と一体的に形成されている請求項１～１０のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
  12. 前記背面板が、前記電動車のボンネットである請求項１１に記載の電動車用消音部材。
  13. 前記枠体が前記電動車のボンネットと一体的に形成されている請求項１１または１２に記載の電動車用消音部材。
  14. 前記膜型共鳴構造体の平均厚みが１０ｍｍ以下である請求項１～１３のいずれか一項に記載の電動車用消音部材。
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